本科系统结构课件 chapter4-1

第四章存储体系

概述现代计算机系统都以存储器为中心在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心存储系统是整个系统的瓶颈，CPU与主存储器的速度差距越来越大1955年，第一台大型机IBM704，CPU和主存储器的工作周期均为12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4个数量级以上，主存储器的工作速度仅提高2个数量级。概述（续）存储系统的关键是如何组织好速度、容量和价格均不相同的存储器使这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器存储容量与容量最大的那个存储器相等单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。三大因素：速度、容量、价格LevelsinMemoryHierarchyCPUregsCacheMemorydisksize:speed:$/Mbyte:blocksize:200B3ns8BRegisterCacheMemoryDiskMemory32KB/4MB6ns$100/MB32B128MB60ns$1.50/MB8KB20GB8ms$0.05/MBlarger,slower,cheaper8B32B8KBcachevirtualmemoryMemoryHierarchyRegistersLevel1cacheLevel2CacheMemoryDiskTypicalSize4-64<16Kbytes<2Mbytes<16Gigabytes>5GigabytesAccessTime1nsec3nsec15nsec150nsec5,000,000nsecBandwidth(inMB/sec)10,000–50,0002000-5000500-1000500-1000100ManagedByCompilerHardwareHardwareOSOS/User各级存储器的主要性能特性存储器层次通用寄存器缓冲栈Cache存储周期<10ns<10ns10-60ns存储容量<512B<512B8K-2MB价格$c/KB1200803.2访问方式直接译码先进先出相联访问材料工艺ECLECLSRAM分配管理编译器分配硬件调度硬件调度带宽400-8000400-1200200-800（待续）各级存储器的主要性能特性（续）存储器层次磁盘存储器主存储器存储周期10-30ms60-300ns存储容量1G-1TB32M-1GB价格$c/KB0.010.36访问方式块访问随机访问材料工艺磁表面DRAM分配管理系统/用户操作系统带宽10-10080-160脱机存储器2-20min5G-10TB0.0001文件组磁、光等系统/用户0.2-0.6目录存储体系的概念虚拟存储器高速缓冲存储器（Cache）Cache-主存-辅存三级层次主存保护（自学）

§1存储体系的形成与性能

存储体系及其分支

存储体系的构成依据存储体系的性能参数

存储系统在一台计算机中，通常有多种存储器种类：主存储器、Cache、通用寄存器、先行缓冲存储器、磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等材料工艺：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM

访问方式：直接译码、先进先出、随机访问、相联访问、块传送、文件组存储系统（续）存储器的主要性能：速度、容量、价格速度用存储器的访问周期、读出时间、频带宽度等表示容量用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆字节GB等单位表示价格用单位容量的价格表示，如$/bit访问速度越来越快通用寄存器堆指令和数据缓冲Cache(SRAM)主存储器（DRAM）联机外部存储器脱机外部存储器每位的价格越来越便宜存储容量越来越大CPU

内部存储体系的形成与分支

主、辅存之间不能构成完整的整体，采用程序覆盖技术解决；采用操作系统自动定位技术，形成一个整体，速度接近于主存，容量是辅存，价格接近辅存；虚拟存储系统虚地址：虚存地址、虚拟地址、逻辑地址、程序地址、虚存容量、程序空间物理地址、实（存）地址、主存容量、实存容量、实（主）存空间

存储体系的定义两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个存储系统。这个系统对应用程序员透明。从应用程序员看，它是一个存储器。这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器存储容量与容量最大的那个存储器相等单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。解决速度CPU中设置通用寄存器

采用存储器的多体交叉并行存取采用存储层次

Cache主存-辅存存储层次（容量）主存辅存辅助软硬设备从整体上看，速度是主存的，容量是辅存的。Cache-主存存储层次（速度）高速缓冲Cache主存M辅助硬件设备从CPU看，速度是Cache的，容量是辅存的。高速缓冲CacheCPU多级存储层次CPUM1M2M3Mn存储体系（层次）存储体系的构成依据要求未被访问信息的地址能预知；时间和空间上的局部性预知的准确性是存储层次设计的好坏的主要标志取决于所用算法和地址映像变换的方式存储体系的性能参数

存储层次的每位价格

如两级容量差异大，则实现级间地址映像和地址变换困难，效率降低命中率H

CPU产生的逻辑地址能在M1中访问到（命中到）的概率。H与地址预知算法及M1的容量有关H----1好

存储层次的等效访问时间

访问效率访问效率说明R-1越好

R取决于个层次的各级器件和设备特性，命中率，容量及替换算法有关。E-1H在r较大时，H要高。r=100,为使e>0.9

必须H>0.998r=2,为使e>0.9H>0.889如两级速度差异很大，提高H。

访问效率m=160.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0命中率r=2r=10r=100r=1存储器层次结构设计的问题